熱軋超高強(qiáng)鋼M1200HS的顯微組織與磨粒磨損性能

彭 歡，胡學(xué)文，王海波，王承劍，石東亞

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，馬鞍山 243000)

0 引 言

傳統(tǒng)的低合金耐磨鋼NM400和NM450因具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自卸車(chē)廂體、攪拌車(chē)罐體、挖掘機(jī)料斗等對(duì)耐磨性能要求很高的耐磨結(jié)構(gòu)上[1]。但NM400、NM450耐磨鋼主流生產(chǎn)工藝為熱軋+淬火+回火熱處理，存在生產(chǎn)工藝工序多、能耗高、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。近年來(lái)，免熱處理熱軋耐磨鋼成為國(guó)內(nèi)外各大鋼企和科研院校的研究熱點(diǎn)[2-3]。然而，目前工業(yè)化生產(chǎn)免熱處理耐磨鋼能達(dá)到的最高抗拉強(qiáng)度僅為1 100 MPa。在線直接淬火工藝是一種利用鋼板軋制結(jié)束后的軋制余熱實(shí)現(xiàn)淬火的新工藝，與傳統(tǒng)離線淬火+回火熱處理相比，直接淬火具有工藝流程短、能耗低、強(qiáng)韌性優(yōu)等特點(diǎn)[4-5]。在線直接淬火工藝在高強(qiáng)度寬厚板(厚度規(guī)格不低于8 mm)生產(chǎn)線中應(yīng)用較多，在熱連軋板帶生產(chǎn)線中應(yīng)用相對(duì)較少。馬鋼在2250熱連軋產(chǎn)線采用兩階段控制軋制和在線直接淬火工藝生產(chǎn)了一種免離線熱處理工序的熱軋超高強(qiáng)鋼M1200HS(抗拉強(qiáng)度不低于1 300 MPa)，該材料不僅生產(chǎn)工藝流程短、制造成本低，且具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性以及良好的塑性。

目前，對(duì)鋼材的磨損方式和耐磨機(jī)理研究主要集中在耐磨鋼滑動(dòng)磨損和沖擊磨損方面[6-12]，對(duì)免熱處理熱軋高強(qiáng)鋼在攪拌工況下的磨粒磨損性能研究相對(duì)較少。因此，作者結(jié)合服役環(huán)境，研究了免熱處理熱軋超高強(qiáng)鋼M1200HS的顯微組織與力學(xué)性能，以及在攪拌工況下的磨粒磨損性能和耐磨機(jī)理，并與傳統(tǒng)低合金耐磨鋼NM400、NM450進(jìn)行了對(duì)比，為提高熱軋超高強(qiáng)鋼的耐磨性能、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)支持。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為4 mm厚度規(guī)格的免熱處理熱軋超高強(qiáng)鋼M1200HS和熱處理態(tài)低合金耐磨鋼NM400、NM450。M1200HS鋼的加工工藝如下：鑄坯加熱溫度為1 230～1 250 ℃，粗軋開(kāi)軋溫度為1 100～1 130 ℃，精軋終軋溫度為860～890 ℃，精軋后采用兩相區(qū)在線直接淬火工藝，淬火開(kāi)始溫度為840～870 ℃，冷卻速率為50～100 ℃·s-1，卷取溫度為250～300 ℃。NM400鋼的加工工藝如下：鑄坯加熱溫度為1 2301 250 ℃，粗軋開(kāi)軋溫度為1 1001 130 ℃，精軋終軋溫度為890～920 ℃，卷取溫度為640～670 ℃，卷取后空冷至室溫，然后進(jìn)行離線淬火+回火熱處理，淬火溫度900～930 ℃，保溫時(shí)間30 min，回火溫度250～300 ℃，保溫時(shí)間60 min。NM450鋼的加工工藝如下：鑄坯加熱溫度為1 230～1 250 ℃，粗軋開(kāi)軋溫度為1 100～1 130 ℃，精軋終軋溫度為870～900 ℃，卷取溫度為620～650 ℃，卷取后空冷至室溫，然后進(jìn)行離線淬火+回火熱處理，淬火溫度890～920 ℃，保溫時(shí)間30 min，回火溫度250～300 ℃，保溫時(shí)間60 min。

3種試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示，可以看出，與傳統(tǒng)的低合金耐磨鋼NM400、NM450相比，M1200HS試驗(yàn)鋼中未添加鉻等貴金屬元素，且無(wú)離線淬火+回火熱處理工序，工序少、制造成本低，材料化學(xué)成分實(shí)現(xiàn)減量化。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

分別在3種試驗(yàn)鋼上截取尺寸為10 mm×12 mm×4 mm的金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，采用Axio Imager M2m 型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察顯微組織。采用安裝在Sigma500型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)上的電子背散射衍射(EBSD)測(cè)試系統(tǒng)分析馬氏體板條的尺寸和大角度晶界的分布比例，并通過(guò)HKL CHANNEL 5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用Tecnai G2 F20型場(chǎng)發(fā)射透射電鏡(TEM)觀察馬氏體板條形貌。根據(jù)GB/T 228.1-2010加工出標(biāo)距為100 mm的帶肩拉伸試樣，采用Z600型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為0.000 25 s-1。采用BH3000型布氏硬度計(jì)測(cè)試表面布氏硬度，載荷為29.42 kN，保載時(shí)間為20 s。

按照ASTM G105-2016，采用MLS-225型濕式橡膠輪試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨粒磨損試驗(yàn)。試樣尺寸為57 mm×25.5 mm×3.5 mm，其中57 mm×25.5 mm面為磨損面，試驗(yàn)前對(duì)磨損表面進(jìn)行磨光處理。磨粒磨損試驗(yàn)選用的橡膠輪硬度為60 HS，橡膠輪轉(zhuǎn)速為245 r·min-1，磨料為石英砂和水按1…1體積比混合成的混合物，石英砂顆粒大小為830～380 μm，載荷為222 N。首先進(jìn)行250 s預(yù)磨，再分別進(jìn)行10，20，40 min精磨。預(yù)磨后和精磨后的試樣均進(jìn)行超聲波清洗，采用電子天平(精度為0.1 mg)測(cè)取試樣質(zhì)量。將精磨前后質(zhì)量差記為磨損質(zhì)量，用于評(píng)價(jià)材料耐磨粒磨損性能，磨損質(zhì)量越小，材料的耐磨粒磨損性能越好。在相同的試驗(yàn)條件下，各取3塊試樣進(jìn)行磨粒磨損試驗(yàn)，計(jì)算磨損質(zhì)量平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出：M1200HS鋼的顯微組織由板條狀馬氏體(M)和極少量鐵素體(F)組成，鐵素體彌散分布在馬氏體之間，析出的碳化物數(shù)量相對(duì)較少；NM400、NM450鋼的顯微組織均為板條狀馬氏體， M1200HS鋼的馬氏體板條略粗于NM400鋼，明顯比NM450鋼粗大。

圖1 3種試驗(yàn)鋼的顯微組織

由圖2可知，M1200HS鋼的晶粒尺寸略大于NM400鋼，明顯大于NM450鋼。測(cè)得M1200HS、NM400、NM450鋼馬氏體板條束的平均寬度分別為3.64，3.53，3.13 μm。由圖3可知，M1200HS鋼的大角度晶界(取向差角大于15°)占比為29.67%，略低于NM400鋼(31.34%),明顯低于NM450鋼(34.78%)。

圖3 3種試驗(yàn)鋼的晶粒取向差分布

由圖4可知，3種試驗(yàn)鋼的馬氏體板條內(nèi)部存在高密度位錯(cuò)等亞結(jié)構(gòu)，M1200HS鋼的位錯(cuò)密度與NM400鋼的位錯(cuò)密度基本相當(dāng)，但低于NM450鋼的位錯(cuò)密度。位錯(cuò)密度越高，碳原子釘扎位錯(cuò)效果越好，強(qiáng)化效果越顯著。M1200HS、NM400、NM450鋼的馬氏體板條平均寬度分別為0.34，0.29，0.21 μm，馬氏體板條寬度依次減小。

圖4 3種試驗(yàn)鋼的TEM形貌

2.2 力學(xué)性能

由表2可知，M1200HS鋼的強(qiáng)度和硬度均達(dá)到GB/T 24186-2009標(biāo)準(zhǔn)要求，且僅略低于NM400，但明顯低于NM450鋼。馬氏體板條寬度與材料的強(qiáng)度符合Hall-Petch關(guān)系[13-15]。M1200HS的馬氏體板條寬度略大于NM400鋼，明顯大于NM450鋼，因此其強(qiáng)度和硬度可近乎達(dá)到NM400鋼的強(qiáng)度和硬度，但明顯低于NM450鋼。另外，M1200HS鋼中析出的碳化物數(shù)量較少，而析出強(qiáng)化對(duì)于材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大，因此M1200HS鋼的強(qiáng)度、硬度較低。M1200HS鋼的斷后伸長(zhǎng)率高于NM400鋼和NM450鋼，這是因?yàn)镸1200HS鋼中存在少量彌散分布在馬氏體間的軟相鐵素體，而NM400鋼和NM450鋼的顯微組織均為硬相馬氏體。

表2 3種試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

2.3 磨粒磨損性能

由圖5可知：在相同精磨時(shí)間的情況下，M1200HS和NM400鋼的磨損質(zhì)量基本相當(dāng)，而NM450鋼的磨損質(zhì)量較少，這說(shuō)明M1200HS和NM400鋼的耐磨粒磨損性能基本相當(dāng)，且較NM450鋼的耐磨粒磨損性能差。小角度晶界(取向差角小于15°)對(duì)于裂紋擴(kuò)展的阻礙作用相對(duì)較小，而大角度晶界可以改變裂紋擴(kuò)展的方向，阻礙裂紋的快速擴(kuò)展，提高材料的韌性[16]。M1200HS鋼的大角度晶界占比較小，在磨粒磨損試驗(yàn)過(guò)程中抗裂紋擴(kuò)展能力較差，材料的耐磨粒磨損性能也較差。

圖5 3種試驗(yàn)鋼的磨損質(zhì)量

由圖6可知，3種試驗(yàn)鋼的磨損形式均為微觀切削機(jī)制，M1200HS和NM400鋼的磨損表面形貌相似，表面犁溝數(shù)量較多、寬度較大、深度較深，而NM450鋼的磨損表面相對(duì)光滑，僅存在少量犁溝且犁溝寬度較窄、深度較淺。在磨損過(guò)程中，試樣表面受到橫向壓應(yīng)力和豎向切應(yīng)力的綜合作用，橡膠輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)磨料與磨損表面產(chǎn)生摩擦，磨料顆粒的尖端在旋轉(zhuǎn)橡膠輪的切應(yīng)力作用下不斷地鑿磨磨損表面，使得該區(qū)域向周?chē)鷶D壓發(fā)生塑性變形。隨著橡膠輪持續(xù)旋轉(zhuǎn)，塑性變形區(qū)域不斷向前滑移，部分材料脫落而產(chǎn)生犁溝。M1200HS鋼與NM400鋼相比，晶粒尺寸較大，強(qiáng)度和硬度較低，但M1200HS鋼中存在的極少量彌散分布在馬氏體間的軟相鐵素體組織有利于緩解磨損表面產(chǎn)生的應(yīng)力集中，并吸收部分能量，改善了材料的耐磨粒磨損性能，因此，兩者在磨料嵌入材料基體內(nèi)部和材料基體發(fā)生塑性變形方面的難易程度相當(dāng)，磨損表面形貌相似。

3 結(jié) 論

(1) 免熱處理熱軋超高強(qiáng)鋼M1200HS的顯微組織為板條馬氏體和極少量鐵素體，低合金耐磨鋼NM400、NM450的顯微組織均為板條馬氏體；M1200HS鋼的馬氏體板條寬度略大于NM400鋼，明顯大于NM450鋼；M1200HS、NM400、NM450鋼的大角度晶界占比依次增加；M1200HS鋼馬氏體板條內(nèi)部位錯(cuò)密度與NM400鋼基本相當(dāng)，但低于NM450鋼。

(2) 免熱處理熱軋超高強(qiáng)鋼M1200HS的抗拉強(qiáng)度為1 387 MPa，表面布氏硬度為403 HB，均達(dá)到了GB/T 24186-2009 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，與低合金耐磨鋼NM400的強(qiáng)度和硬度近乎相當(dāng)，但明顯低于NM450鋼。

(3) M1200HS、NM400鋼的耐磨粒磨損性能基本相當(dāng)，NM450鋼的耐磨粒磨損性能較好；M1200HS、NM400、NM450鋼的磨粒磨損機(jī)制均為微觀切削機(jī)制，M1200HS鋼的磨損表面犁溝數(shù)量較多、深度較深、寬度較大。